CN1010982B - 包括检测缺陷门电路的超声信号处理系统 - Google Patents

Abstract

所公开的是一个超声信号处理系统，包括多个检测缺陷门电路，用于处理来自探测换能器的信号。该检测缺陷门电路成对运行，其中每一对检测缺陷门电路用于一个时间窗口，这对应于(例如)缺陷的深度即换能器的角度。用于一对检测缺陷门电路的时间窗口由定时控制单元产生的一个通道代码来指明。每对中的一个检测缺陷门电路处理一次扫描中到来的数字化换能器信号以产生反射体特征，而每对中的另一个门将以前在不同位置扫描的数据送给一个主计算机。

Description

本发明涉及一个高速超声信号处理系统，该系统搜索对于超声探伤所必须的所有超声信号，更具体地说，本发明涉及的系统采用了成对的检测缺陷门电路，其中每一检测缺陷门电路处理与被探伤材料内部的深度相对应的一个时间窗口内的数据，并且由该对中的一个检测缺陷门电路将收集的数据传递到一个中央控制和确定缺陷位置的计算机中，而另一检测缺陷门电路则处理输入的超声信号数据。

总的来说，在一个计算机化的超声探伤系统中，输入信号处理速度同样限制着对一个物体（例如一个动力装置的汽轮机转子）进行探伤的速度。立体超声探伤必须将一个超声波束在整个被探伤的材料中扫描以获得全部的反射特征数据。如果被探测的缺陷尺寸很小，则要求用很细的超声波束，沿着相当数目的波束通道穿透该材料以检出所有的缺陷，进行一次探伤所要求的总时间是检查象汽轮机转子内孔这类物体时成本中的主要因素。在制造过程结束时以及在定期的例行维护中的汽轮机转子内孔一般都需要对孔表面附近的且可通过再加工去掉的缺陷进行检测，也需要对必须监测的比较深的缺陷进行检测，以确定它们的变化，这样可在灾难性事故发生之前换下该转子。因此减少探伤时间是发电产业所特别希望的事情。

限制转子探伤速度的一个关键因素是在发现能够代表缺陷的特征时记录与超声检测出的缺陷特征相关的数据所需要的时间，一个超声检测出的缺陷特征是由换能器接收到的一个超过了在定标过程中确定 的一个幅度阈值电平的反射信号。一个检测缺陷门电路被用于确定最小的和最大的转换时间间隔，在两者之间将对数据进行处理和将返回信号的数据与幅度阈值相比较。对于每一个缺陷特征，必须记录下该缺陷特征的幅值，产生该缺陷特征的脉冲的传输时间（the    t    ime    of    flight），和该缺陷特征被测出时换能器在转子参考系中的位置座标。再把以上数据与超声波声径的几何特性结合起来考虑，就可以确定该反射体或裂隙的位置及其大小。

在常规的计算机操作的超声探伤系统中，计算机不仅要读出超声测量装置的状态，还要读出换能器的位置。如果记录到一个缺陷特征，这一单个计算机要把该显示的时间记录和扫描器的位置一起存储起来。如果扫描速度太快以致主计算机跟不上来自换能器的数据的速率，这一常规方案就会变得极不准确并且会丢失数据。

本发明的一个目的是提供一个用于确定物体中缺陷大小和位置的高速超声信号处理系统。

因此，鉴于这一目的，本发明在于一个超声信号处理系统，包括一个控制处理器;一个与上述控制处理器相连的定时控制单元，它产生包括窗口信号的定时控制信号;一个与上述定时控制单元相连并受其控制的脉冲控制单元;一个与上述脉冲控制单元相连和受其控制并产生接收信号的探伤换能器;一个与上述探伤换能器相连并产生其位置的解算器;一个与上述定时控制单元和探伤换能器相连并根据窗口信号来衰减接收信号的模拟多路转接器;以及一个与上述模拟多路转接器相连并将衰减了的接收信号数字化的数字转换器;其特征在于同上述数字转换器、定时控制单元和解算器相连的多个缺陷检测门电路，根据一个窗口信号通过将一个阈值波形根据一个测距补偿（rdnging offset）进行移位，并将该数字化的衰减的接收信号与移位的阈值波形相比较的步骤来完成每次对数字化的衰减信号的存储和处理，当该数字化接收信号超过阈值波形时产生缺陷特征并存储位置，上述控制处理器在上述探伤换能器的一次扫描结束时检索缺陷特征和相应的位置，并根据该位置和缺陷的特征来确定缺陷的位置。

本发明的另一个方面在于在一个用探伤换能器和测距换能器进行探伤的材料中确定缺陷特征的一种方法，包括的步骤有：（a）在一个位置上从测距换能器获得该材料的测距补偿;（b）触发探伤换能器以产生该位置的一个探伤信号;（c）在一个采样窗口中对返回的探伤信号进行采样以产生一个数字返回信号的采样波形，其特征为：（d）用测距补偿对数字返回信号的采样波形进行移位;（e）将移位的返回信号采样波形与一个阈值波形进行比较;（f）存储移位的返回信号采样波形超过阈值波形的突出部分的高峰幅值和峰值时间;（g）在不同位置上重复步骤（b）-（f）;（h）将高峰幅值，峰值时间和位置传递给一个检测缺陷的确定装置。

本发明的优选实施方案将参考附图予以说明，其中：

图1是本发明的部件框图;

图2A示出图1中定时控制单元26的细节;

图2B和2C是图2A中数据和控制总线30的信号和状态计数器54的输出时序图;

图3示出图1中脉冲控制单元28的细节;

图4示出图1中模拟输入多路转接器32的部件;

图5示出图1中的数字转换器34细节;

图6示出图1中检测缺陷的门电路36-42的部件;

图7示出图5中的波形存储单元116;

图8示出用于从一个返回超声信号中获得反射显示的阈值曲线;

图9A-9C示出图6所示的检测缺陷的门电路中由CPU120执行的程序;

图10和图11示出如何根据由检测缺陷的门电路提供的显示数据定位一个缺陷。

本发明利用一个快速移动的切向方式扫描机构不引入位置误差和不丢失数据即可对一个物体（如一个动力装置的汽轮机转子）进行高速超声探伤。本发明的系统能使与转子超声探伤时间相关的成本显著地降低。在本发明中采用了检测缺陷的门电路来处理和记录一次扫描中检测到的超声反射特征数据。每一个检测缺陷的门电路均直接在该检测缺陷的门电路中记录下重要的参数如扫描器位置或表面时间，这样一来，这些参数可立即同波幅与传递时间信息一起记录下来，并用于校正传输时间信息。在优选实施方案中检测缺陷的门电路仅选择并记录在与被探伤材料内部的深度即位置相对应的一个时间窗口内与阈值相比最大的幅值信号作为一个反射特征。然而，在每一窗口内检测缺陷的门电路有可能记录高达256个显示。为了控制每一窗口的定位精度和分辨率，数据识别和阈值比较的开始和停止可独立地触发。在检测缺陷门电路中获得的传输时间补偿可用于校正换能器的定向偏差，被探伤表面的几何变化，浸泡液的改变或被探查材料的温度，或者用于校正要求任何随幅度阈值比较开始的参考时间而变化的任何其它条件。

检测缺陷门电路是成对安排的，这样，一个检测缺陷门电路处理和记录数据，而该对中的另一个检测缺陷门电路可将缺陷特征和相应的换 能器位置数据传递到一个主计算机。在数据收集和处理过程中检测缺陷的门电路交换确保了在一个特定检测缺陷门电路对的窗口中检测到一个大数目的反射显示时不丢失数据。还有可能与其它参数，例如时间、位置或扫描方向同步地使一对检测缺陷的门电路交换使用。使用多对检测缺陷门电路可根据换能器、位置即材料深度将检测缺陷门电路的数据收集划分成窗口，以使每一检测缺陷门电路对的处理负担减轻。在优选实施方案中，每一对的两个检测缺陷门电路被分配到探伤系统中不同的扫描方向上。这就是说，优选的扫描方法是使扫描头的轴向指针在转子内孔的每一旋转换向中在顺时针和逆时针的全360°旋转之间换向。该对中的一个检测缺陷门电路在顺时针旋转过程中对数据采样和处理，而另一个则在逆时针旋转过程中工作，每一扫描过程中将换能器的圆周位置数据输入给每一检测缺陷门电路。在优选实施方案中每一扫描换能器有六对检测缺陷门电路外加一个第十三专用检测缺陷门电路。每一对检测缺陷门电路专用于一个特定的材料深度范围即一个时间窗口。每一工作中的检测缺陷门电路还执行对传输时间数据的校正以补偿扫描头相对于转子内孔的偏心和摆动，确保记录下反射体的准确位置。第十三个检测缺陷门电路专用于收集这一校正的测距数据，该数据对应于传输时间和换能器位置。

在图1中，一个控制计算机10通过接口驱动器12在主CPU总线16上向轴控制计算机14发出信号以启动一次探测。轴控制计算机14控制着与一个或多个阵列换能器20机械连接并与一个测距换能器22物理连接的轴控制电机18以使扫描头移动到所需要的位置，一个解算器24将换能器位置信息送回到轴控制计算机14，它再将其通过总线30送到检测缺陷门电路，换能器20到位之后，一 个定时控制单元26经过控制和数据总线30启动一个脉冲控制单元28。数据总线30是一个多用途总线，它是60位宽，有专用于诸如控制信号和数字化的数据传输任务的位组。脉冲控制单元28启动由阵列换能器20或测距换能器22进行的脉冲发射。来自换能器20和22的返回信号由模拟多路转接器32根据被启动的换能器进行多路变换并根据返回信号窗口在被探测材料中的深度进行衰减。该模拟多路转接器还将返回信号在通过总线30送到数字转换器34之前进行整流。数字转换器34连续地将换能器信号数字化并将数字化的返回信号送往检测缺陷门电路36-42。

检测缺陷门电路36-42在成对通道上运行，其中每一通道是在与可发生反射的被测材料内的深度相对应的一个时间窗口内工作。定时控制单元26控制着对每一通道的窗口的开放，而数字转换器34在一旦有一个采样信号被数字化时即传递负载或向所有检测缺陷门电路36-42写入控制脉冲。每一检测缺陷门电路在用于相应窗口的一个波形存储器中存入数字化的换能器返回信号值。然后每一检测缺陷门电路将一个阈值波形移位一个传输时间补偿量，该补偿是旋转位置的函数并表明了阵列换能器20与被探测材料间的相对位置的变化。随后，每一检测缺陷门电路将存储的返回信号波形与移位的阈值波形相比较并存储每个信号超出阈值曲线的高峰幅值，起始时间，峰值时间和停止时间。这些信号超出值表明反射体的特征，该反射体可能是缺陷。轴控制计算机14向检测缺陷门电路36-42指出每次扫描中换能器20的位置，并且换能器位置与反射体特征数据一起通过主计算机总线16被传输并通过接口驱动器12到达控制计算机10，然后控制计算机10根据在浸泡液和被探测材料中已知的超声波束几 何路径确定缺陷的位置。

检测缺陷门电路36-42是成对安排的，以便在顺时针扫描过程中一个检测缺陷门电路收集和处理数据，而在逆时针扫描过程中另一个检测缺陷门电路收集和处理数据。在这个期间内有一个不收集和处理换能器数据的门电路，该门电路可用于向控制计算机10传输反射特征数据。在图1中，为了简化说明，这些检测缺陷门电路是用于一个单个的换能器。然而，实际上是用几个探伤换能器进行一次探测，因此电路26-42的工作过程在一个实际的系统中对每一个探伤换能器都是相同的。也有可能将一对检测缺陷门电路分配给多个固定焦点的换能器或单个具有几个不同的聚焦深度的可变焦点换能器。

定时控制单元26产生图2B中所示的数据和控制总线信号。同步脉冲44-1控制换能器上超声波的产生。延时同步脉冲44-2发生在一个数据窗口的开始处，该窗口从同步脉冲开始处延时了时间段44-5。数据窗口信号44-3确定了输入检测缺陷门电路36-42中某一个门的数字化数据的宽度。通道代码线（ch0-ch5）44-4唯一地确定出一个通道用于控制数据输入一个特定的检测缺陷门电路、同步脉冲的传送路径、放大器输入路线以及放大器输入衰减量。

一个定时周期是同步脉冲之间的时间间隔，它分为四个分离的节段。时间节段＃1    44-5是从同步脉冲到延时间同步脉冲。时间节段＃2    44-6是从延时间同步脉冲到数据窗口的结尾。时间节段＃3    44-7从数据窗口的结尾到一个任意点上，该点一般是在下一个同步脉冲之前几百微秒处。时间节段＃4是从时间节段＃3的结尾到下一个同步脉冲。通道线44-4是在时间节段＃3    44- 7的结尾处改变。时间节段＃4的目的是允许电子线路在产生下一个同步脉冲之前稳定下来，该电路通过改变通道线而进行在线的多路复用。

定时控制单元26受控于图2A的定时控制存储器44，该存储器是一个随机存储器（RAM），该随机存储器由控制计算机10通过主总线16并经接口控制单元42输入指令。定时控制存储器44包含用于控制图2B中所示四个时间节段中每一节段的数据。每一时间节段由定时控制存储器44中的八个八位字来定义，如以下的节段存储器变换表中所示：

字    说明

0    备用

1    定时计数器的低字节

2    定时计数器的中字节

3    定时计数器的高字节

4    通道代码和数据窗口位

5    脉冲控制位

6    下一个地址

7    备用

在八个字中，字0为备用。字1包含对定时计数器低字节（位0-7）的预置值。字2包含对中字节（位8-15）的定时计数器预置值。字3包含对高字节（位16-23）的计数器预置值。字4包含通道 代码位和数据窗口位，如以下通道代码和数据窗口位变换表所示：

通道代码和数据窗口位变换表

位    名称    说明

0    CH0    通道代码位0

1    CH1    通道代码位1

2    CH2    通道代码位2

3    CH3    通道代码位3

4    CH4    通道代码位4

5    CH5    通道代码位5

6    WIN    数据窗口位

7    -    备用

位0-5控制CH0-CH5（通道代码线），位6控制数据窗口。当位6为逻辑状态1时，数据窗口在整个节段内在数据和控制总线30上运行。字5控制同步和延时间步脉冲的产生，如以下脉冲控制位变换表所示：

脉冲控制位变换表

位    说明

0    同步控制位

1    延时同步控制位

2-7    备用

当字5的位0是一个逻辑状态1时它导致产生一个同步脉冲。当字5的位1是一个逻辑状态1时它导致产生一个延时同步脉冲。字6是定时控制存储器44的8位更高的地址位，用于待执行的下一个节段。字7备用。

一个正常的完整定时间周期包括由定时控制单元26依次执行4个适当构成的节段。参见图2C，在前一同步期间的节段＃4的末尾，当定时控制计数器向下计数到零时产生一个来自定时控制计数器48的进位信号44-11。该进位信号输入到解码器和控制逻辑52，它将状态计数器54由状态7重置为状态0，如图2C的44-10所示。然后，状态计数器54依次通过状态0到6并保持在第七个状态上。从一个状态到下一状态的计时是与10MHz的时钟44-12同步。状态计数的输出线44-13，44-14，44-15是定时控制存储器44的较低的三个地址位。当状态计数器54从0返回计数到7时，不同的状态由解码器和控制逻辑52解码。

1状态的44-16预置定时控制计数器48的低八位。2状态44-17预置计数器48的中八位。3状态44-18预置计数器48的高八位。4状态44-19将通道代码和数据窗口位输入通道代码和数据窗口锁存器46中。5状态44-20在数据和控制总线30上产生同步和延时同步脉冲。6状态44-21输入下一地址锁存器值，它设定了定时控制存储器44的高八位地址。当状态计数器54已达到状态7后，定时控制计数器48被启动并开始计数到零。它计数到零所用时间由计数器预置值确定，该值是在状态计数器54的状态1，2和3的期间，从定时控制存储器44的位置1，2和3中输入。

对于一个定时周期的第一节段，状态计数器依次通过状态1，2和3以便向计数器48输入节段＃1的定时值。在状态4的期间，通道代码和数据窗口位被锁存。对于节段＃1，数据窗口位是一个逻辑状态0。在状态5的期间，解码器和控制逻辑52通过将脉冲源信号44-20和同步控制位44-48做与运算以产生一个同步脉冲，该同步控制位是一个逻辑状态1（RAM位置5    44-35的位0）。延时同步脉冲不产生，因为延时同步控制位44-49是一个逻辑状态0（RAM位置5    44-48的位1）。在状态6期间，向下一地址锁存器输入内容。达到状态7以后，定时控制计数器向下计数到零。当它达到零时，进位输出脉冲44-11被送到解码器和控制逻辑52，它再触发状态计数器54以启动由下一地址锁存器50设置的RAM地址处开始的另一周期。为了保证正常运行，来自节段＃1的下一地址字必须正确地指向定时控制存储器44中的区域，它包括用于节段＃2的数据。

对于第二节段，状态计数器再次依次通过状态1、2和3以便将节段＃2的定时值输入计数器48。在状态4期间，通道代码和数据窗口位被锁存。对于节段＃2，通道代码与节段＃1相同，但数据窗口位是一个逻辑状态1，它使数据窗口在整个节段＃2中在控制和数据总线30上都为高值。在状态5期间，解码器和控制逻辑52通道由脉冲源信号44-20和延时同步控制位44-49与运算而产生一个延时同步脉冲，该控制位是一个逻辑状态1。如同步控制位44-48是一个逻辑状态0，不产生同步脉冲。在状态6期间向下一地址锁存器50输入。达到状态7之后，定时控制计数器48向下计数到零，它触发了由下一地址锁存器50设定用于节段＃3的RAM地 址处开始的另一循环。

在第三节段的状态1-3期间，计数器48输入节段＃3的定时值。在状态4期间，通道代码和数据窗口位被锁存。对于节段＃3，通道代码与节段1和2相同，然而，数据窗口位是一个逻辑0，它使数据窗口在控制和数据总线30上为低值。在状态5期间，同步脉冲和延时同步控制位44-48和44-49均为逻辑状态0。在状态6期间，向下一地址锁存器50输入内容。达到状态7之后，定时控制计数器48向下计数到零，它触发由下一地址锁存器50设置的用于节段＃4的RAM地址处开始的另一循环。

在第四节段的状态1-3期间，计数器48输入节段＃4的定时值。在状态4期间，通道代码和数据窗口位被锁存。对于节段＃4，通道代码变为下一定时周期的代码。数据窗口位是一个逻辑状态0，它使数据窗口在控制和数据总线30上是低值。在状态5期间，同步脉冲和延时同步脉冲均不产生，因为同步和延时同步控制位44-48和44-49均为逻辑0。在状态6期间，向下一地址锁存器50输入内容。达到状态7之后，定时控制计数器48向下计数到零，它触发由下一地址锁存器50设置的RAM地址处开始的另一循环。

在优选实施方案中，最多有32个通道（窗口），每一通道有4个定时节段。为向所有32个通道送脉冲，用于一个节段的下一地址字必须指向用于下一节段和通道的适当数据区域。为了重复地仅向一个通道送脉冲，用于节段＃3的下一地址字必须指向节段＃4的开始处，这里设定了通道代码。然后，如果定时控制单元26是在节段4的开始处启动，它将对选定的通道循环通过节段1，2，3和4。

如图3中所示，通道控制代码被送入脉冲控制单元28中的一个 延时存储器或RAM56中。通道控制代码作为一个地址用于输出一个送到数一模转换器58的延时字。存储器56可由控制计算机10通过总线16输入适当的用于不同深度的延时字，（这一连接在图3中未示出）。数一模转换器58产生一个0-9伏的模拟电压，它通过八个可编程延时发生器60-64控制阵列换能器20的波束焦点。纽约的Institute    of    Technology生产一种优选的九元件阵列换能器可供选应，它可在焦点上产生直径一毫米的聚焦波束。延时发生器60-64中每一个包括适当的延时电路以产生适当延时用于在被探测材料内聚焦。延时的实现可通过在标准的单触发电路中采用可变电压的电容器来完成。当到每一换能器元件的脉冲被延时了作为数一模转换器58输出电压的一个函数的适当值时，随着电压从九伏变到一伏焦点在材料内从靠近表面向深部移动。对于优选的九元件换能器，每一元件做为电压的函数的典型延时值在以下的换能器延时表中示出：

换能器延时表

发射    换能器元件

1    2    3    4    6    7    8    9

电压    时间延迟（微秒）

1    0.00    0.14    0.28    0.42    0.70    0.86    0.99    1.14

2    0.00    0.11    0.22    0.33    0.56    0.65    0.77    0.88

3    0.00    0.08    0.15    0.22    0.37    0.44    0.53    0.60

4    0.00    0.04    0.08    0.11    0.18    0.22    0.26    0.30

5    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

6    0.00-0.04-0.06-0.09-0.16-0.19-0.22-0.27

7    0.00-0.06-0.11-0.17-0.30-0.36-0.42-0.49

8    0.00-0.07-0.16-0.23-0.42-0.52-0.60-0.69

9    0.00-0.09-0.19-0.30-0.53-0.65-0.76-0.87

元件5没有延时值，其原因将在以下说明。一个九伏的模拟电压将使波束在靠近材料表面聚焦，一个五伏的电压将使焦点处于由换能器20的透镜唯一确定的焦点值上（几何焦点），而一伏的模拟信号将使换能器在材料内超过几何焦点的最大深度聚焦，几何焦点是在所有元件同相位发射时获得的焦点，这是上表中五伏的情况。有时希望对换能器元件以不同组合送入脉冲。图3的电路能够通过门66-70的作用控制哪些元件接受脉冲，一个来自数据和控制总线30的同步信号通过每一延时发生器以特定延时传输。门或开关66-70的选择由来自模拟多路转接器32经数据和控制总线传输的一个脉冲代码控制。究竟使哪些特定代码有效，或者确切地说使哪些元件发射脉冲取决于特定超声探伤的清晰度。然而，通常情况是使元件5之外的所有元件发射脉冲。

对应于可编程延时发生器1-4和6-9的门的输出通过高电压脉冲单元72-74传输到阵列换能器20中的适当元件76-78。阵列换能器20的中间的或叫第五元件80被用作返回信号接收换能器并连接到模拟多路转接器32上，这将在以下说明。第五延时发生器62通过它的门68和高电压脉冲单元82触发测距换能器22。来自测距换能器22的返回信号输入信号放大器84放大然后送到模拟多路转接器32，该返回信号表征探测材料的表面。

图4的模拟多路转接器32通过控制总线30从定时控制单元26接收通道代码。该通道代码被送往一个衰减控制存储器86由其产生一个衰减控制字，该字的一部分被送往解码器88。衰减控制字还包括一个脉冲控制字，该字的一部分被送往解码器88。衰减控制字还包括一个脉冲控制字，如前所述，它被送到脉冲控制单元28，以控制阵列换能器20中哪个换能器元件接收一个高压脉冲，还有一个接收 控制位，它被送到输入放大器和信号多路转换器92。衰减控制存储器86是由控制计算机10通过总线16输入负载。由阵列换能器第五元件80接收的返回探测回波由一个扫描头前置放大器90放大以产生一个差分信号送往输入放大器和信号多路转换单元92。单元92的模拟多路转换部分根据接收的控制位或者选择来自阵列换能器第五单元80的信号，或者选择来自测距换能器22的信号。单元92的放大部分包括一个降低线路噪声的差分放大器。选定的信号被送往一个可编程衰减器94，它是由解码器88根据衰减控制存储器86产生的衰减控制字来控制。可编程衰减器94根据解码器88的输出利用模拟门选择一个衰减电路，其中该电路以4dB的增量分为八步。当探测系统在靠近被探测材料的表面寻找裂隙时要求进行衰减，它随深度而减小。衰减量必须根据定标试验来确定，它是来自参考反射体的返回信号从一个参考反射值到达一个特定的范围所必须的量，其值一般是在数字转换器34的输入端测量为0.4伏。衰减的信号被送往一个固定增益放大器96，然后到一个半波整流器98。与标准的超声信号处理技术相同，该半波整流器98将正弦返回信号转换为一个只包括正值的整流信号。然后整流信号经总线30被送到数字转换器34。为了分析回波信号的更精细的特征，返回信号可通过一个控制信号不经整流器而直接通过总线16，（这一连接在图4中并未示出）。整流信号由一个可从TRW公司购买的数字转换电路100（图5）连续地数字化，该电路根据由时钟102产生的一个20MHz时钟信号每秒转换2千万个数字采样。时钟102通过分频器106和延时单元108控制一个采样锁存器104，当锁存器104已经稳定时，它将数字化的值通过控制和数据总线30送往检 测缺陷门电路36-42。检测缺陷门电路36-42由产生一个写入脉冲的一次触发器110触发以输入最新的采样值。

当定时控制单元26输出一个数据窗口信号44-3、同时输出一个同图6的检测缺陷门电路中通道锁存器112产生的通道代码相匹配的通道代码时，比较器114产生一个使写有效的信号，该信号触发波形存储单元116，使其与数字转换器34产生的写信号同步地接收来自数字转换器34的最新数字化采样值。只要数据窗口信号44-3是逻辑状态1并且由定时控制单元26产生的通道代码选择这一特定的检测缺陷门电路，波形存储单元116就继续存储数字化的采样值。这就是说，由通道代码指定的特定检测缺陷门电路的相应数据窗口期间内，波形存储单元116有效地存储一个返回信号波形，CPU120最好是一个可从Zilog购买的Z80微处理器，并且能够对照一个10微秒宽幅值以0.1微秒的台阶限定的阈值曲线分析大约20毫秒内以大约0.05微秒采样的一个10微秒的波形。在数据采样存储期间的窗口可以按0.1微秒的台阶调整。如果要求更高的处理速度，应当用一个适当地更高速的处理器代替Z80微处理器。

在窗口开放期间内的某一时刻，最好是在开始或结尾，由CPU120将解算器24产生的位置信号从位置锁存器118传递到存储器122。存储器122包括一个可编程只读存储器部分，它包含用于CPU120的控制程序。存储器122还包括RAM可变区域，用于存储将存入通道锁存器112的值（如通道代码）以及来自位置锁存器118的位置值。存储器122还存储由测距换能器在材料表面不同位置取得的采样中产生的传递时间补偿值的测距曲线。每 一测距位置上的测距曲线值被用于调整同样存储在存储器122中的一个阈值曲线与存储在波形存储单元116中的返回信号波形之间进行比较的起始点。由CPU120将存储在波形存储器116中的返回信号波形与存储器122中的阈值波形相比较，每次比较一个采样，其中一个阈值点用于同两个信号波形点相比较。返回信号波形超过阈值波形上升交叉时间，峰值时间，峰值时间处的幅值，以及下降交叉时间被存入存储器122作为反射体的特征。

一旦完成了一个完整的扫描，或当存储器122的特征数据部分已存满，CPU120将在经总线16从控制计算机接收到一个总线请求信号时解除对检测缺陷门电路地址总线124和数据总线126的控制。当总线124和126已解控时，CPU120向控制计算机10发回一个总线解控通知信号。然后控制计算机10通过地址计数器128通知存储器122并通过缓存器130读出位置和特征数据，然后控制计算机10处理反射特征数据和位置数据以确定缺陷的性质和位置。

图7示出波形存储单元116的部件。在每一扫描循环开始时，CPU120将地址计数器132重置为波形存储器134中的第一个位置并启动存储器134接受数据。当数字转换器34已将一个采样位置于数据和控制总线30上时，它向波形存储器134送出一个写或装入信号，然后存储器存入最新的数字值。如果检测缺陷门电路的窗口打开了，比较器114产生一个使写有效的信号，它打开门136。当波形存储器134通过门136接收到写信号，波形存储器134在由地址计数器132指定的地址存入数字化的返回信号采样。写入脉冲经地址计数器132延时然后用于在下一个数字化返回 信号采样之前使波形存储器134的存储单元地址递增。当用于一个特定检测缺陷门电路的窗口已经结束时，CPU120将波形存储器134从一个输入方式改变到一个输出方式，并将地址计数器132重置为存储器134的起始点。然后CPU120将地址计数器132递增，以读出返回信号波形并进行阈值比较，这将在以下讨论。存储器134应将扫描数据保持至少50微秒，这样如果希望的话可进行低分辩率的高速扫描，并能以20MHZ的速率输入。

图8采用连续曲线示出阈值比较过程，该曲线代表阈值曲线138上的分立的一微秒采样点和信号波形140上的0.05微秒的分立的采样点。阈值曲线138是从检测缺陷门电路样本窗口的起点t起始移位一个表面时间t表面。表面时间是由测距换能器22产生的测距曲线获得。移位操作可以通过从波形存储器134中读出采样数据并舍弃这些采样来完成，直至完成了这一操作一直进行到补偿调整到完成为止。在表面时间补偿完成后，每一个返回信号数据样本即按照一个阈值点用于两个信号采样数据的方式与相应的阈值相比较，当返回波形的值首次等于或超过对应的阈值时（例如在点142），存储上升交叉时间t升。该交叉时间是从上升交叉时间采样的地址与表面时间样本的地址之间的差值计算出来的，其中每一个存储位置对应于0.05微秒。当达到超出的峰值时（例如在点144），存储幅值A和峰值时间t峰。此外，当超出阈值的波形返回交叉到阈值曲线138以下时，存储下降交叉时间t降（例如在点146）。时间t升、t峰和t降与峰值时间处理出的绝对幅值A一起构成一个反射特征。有可能将一个窗口得到的所有特征都存起来，然而，在优选实施 方案中只有最大幅值的超出特征数据148和最多10个附加的超出特征按照操作者的决定存储起来。图8中可见，回波信号中的某些峰值并未超过阈值，因此未作为特征来存储。

为了获得阈值曲线138，可以使超声脉冲从一个标准块的已知深度（传输时间）和已知最小尺寸的反射体上反射回来，并记录从每一已知深度的反射体上返回信号的最大幅值。最大幅值信号相对于时间描点即产生阈值曲线，这就是说，阈值曲线是对一个特定深度/时间窗口的距离与幅值关系的校正曲线。

由图6所示每一检测缺陷门电路的CPU120执行的程序由图9A-9C示出。图中未示出由主控制计算机10执行的程序，该程序初始化检测缺陷门电路。在由检测缺陷门电路处理之前，主控计算机10在启动程序中通过按前面讨论过的方式获得对地址总线124和数据总线126的控制向存储器122的可变部分中输入以下可变信息：通道数，它选择检测缺陷门电路应当记录采样的时间窗口;峰值数N，它表明除了最大的幅值标记外返回信号波形超过阈值曲线的突起数目，该数目应存储起来以便送往控制计算机10;阈值曲线的长度，它控制着显示过程所必须的比较的数目;阈值曲线数值;一个16位的位置掩码，它掩蔽掉数据和控制总线上不用的位置，以便用于来自解算器24的14位解算器位置;一个任选的16位起始位置的时标，它可在必要时用于根据换能器的大致的圆周位置触发检测缺陷门电路;还有一个测距曲线，它最好包括256个值，用于360°的圆周扫描，由此提供分辨力为1.4°的测距时间校正，尽管系统的角分辨力是0.02°。

在程序开始处（图9A），通过检查存储器122以确定其中是 否保留了一个来自控制计算机10的进行数字化的指令，做出一个判断152，它是关于检测缺陷门电路是否应当处于一个数字化方式154。在数字化方式中检测缺陷门电路仅从波形存储器134中采样并在存储器122中存储采样数据，但不用阈值波形对其进行处理，由此而允许控制计算机检索实际的幅值信号。该数字化方式被用于（例如）按照操作者的愿望为了建档的目的而记录来自定标反射体或缺陷的实际幅值信号。

如果在存储器122的可变部分中未保留数字化方式的指令，检测缺陷门电路处理器120在步骤156向控制计算机10发出一个状态字，以指出检测缺陷门电路是正在检测缺陷的方式中运行。然后在160由处理器从存储器122的可变部分获得起始位置和起始位置的时标，并在162开始起始位置（角度）与由解算器产生并存在位置锁存器118中的位置相比较。如果不希望在任选的起始位置上开始，那么位置时标应当全部为零。

达到起始位置时，在164从存储器122读出通道代码，并在166将其存入通道锁存器112，以允许在来自定时控制单元26的通道代码与锁存器112的内容相符合时启动波形存储器116。然后处理单元120监视着比较器114的输出，它表明窗口被打开和随后关闭的时间，标志着已存储了一个波形。当一个波形已经存储在波形存储单元116中时，在170（图9B）终止了存储单元116的写入状态。然后，在172读出解算器的位置并存入存储器122的部分中，由此传输到控制计算机10并指出换能器20目前的位置即角度，从中获得特征数据。在174当存储地址重置后，检索出由测距曲线对目前位置的时间校正，并在176读出并舍弃来自 波形存储器116的伪值，直至返回采样波形被移位到进行阈值比较的适当起始位置上。

随后，在178，CPU120按前述方式通过将波形与阈值曲线136相比较并提取超值信息以获得特征，以此来处理返回信号波形。如果在180发现峰值，在182与以前的解算器位置进行比较，这样当位置未变化时可以避免反射体特征的双重存储。然而，如果又出现了更高的最大峰值的幅值，即使换能器位置未改变，以前的最大峰值和以前的位置一起在186（图9C）被更新，并且以前的一组特征被现在的代替。

如果通过检查溢出标志在188确定以前未发生存储器溢出，在190峰值数据被传输到存储器122中可由控制计算机10进入的部分。如果已有一个存储器溢出，这就是说，存储反射特征的可用存储器存满，在194设立存储器122中的溢出标志。溢出标志允许控制计算机10决定已经发生了溢出并立即检查反射体特征数据，根据需要可从存储器122中记录的最后的位置开始重新扫描。一旦所有数据已处理完，检测缺陷门电路通过返回164而重复该程序，从存储器122中取得通道代码，在166将通道代码存入锁存器，并在168监视比较器114的输出直至写入一个波形。

图10和11表明控制计算机10如何利用超过阈值的最大峰值的每一特征的峰值时间来获得产生该特征的深度并修正角度。图10的时间比深度曲线可在定标过程中用已知位置的反射体来产生，或从被检材料中的已知声速计算出来。因为显示相对于深度的实际角度是以一个非线性的方式不同于换能器的角位置，这是由于波束的几何路线造成，所以用图10的曲线从峰值时间确定的深度再用于图11的 曲线中以获得一个角度变化，它能校正换能器的角度（位置）和波束在材料中的折射角度，以精确指出特征的准确角度。图11的深度比角度的变化曲线还可在定标过程中确定，或从被测材料中已知的声传输特性中计算出来。在实践中，图10和11的曲线是由定标过程中确定从波束几何路径导出的方程来表示。为了获得一个调整的或参考的特征角度，将校正角被附加在一个固定的补偿角上，该补偿角是偏转一个参考位置，深度和调整了的缺陷角度限定了该特征沿换能器轴向（Z）位置的定位。然后，可用深度、角度和轴向位置在已知的显示系统上示出缺陷的特征，它允许被探伤物体的图象与检测到的特征一起出现在几个不同画面上以看出缺陷的位置和大小。

至此的讨论已经仅通过举例的方式描述了特定的特征，并且假定对于一个在特定深度聚焦的单波束脉冲的反射是在与深度对应的传递时间窗口期间内处理的。这导致在确定缺陷位置时的不精确，因为除了几何焦点的深度外波束并不完全在各种深度上聚焦。由于阵列换能器能以最高的波束精度在任何希望的深度聚焦，为了更高的精确度，有可能将波束在一个特定深度/时间窗口的中央处聚焦并仅打开这个窗口进行缺陷处理。其它脉冲可对其它的深度/时间窗口产生并聚焦。于是，这些窗口可根据缺陷定位所希望的分辨力而定为任意的大小。如果波形存储单元中的地址计数器132可装入一个地址补偿，它补偿测距变化而不是简单地将计数器增值来产生补偿，则可实现对比较处理速度的改进。如果用一个很高速的处理器代替选用的Z80，还有可能随着数据的到达将返回信号波形点与一个补偿阈值相比较。这一很高速的处理器必须具备至少几倍于20MHz数据速率的指令周期时间。另一改进是使检测缺陷门电路36-42可在控制和数据总 线30上得到另外的测试参数，如一天的温度和时间，并且由检测缺陷门电路同换能器位置一起或在此之外读出并存储这些附加参数。

Claims (2)

1、一个超声信号处理系统，包括：

一个控制处理器(10)；

一个定时控制单元(26)，它与上述控制处理器(10)连接并产生包括窗口信号的定时控制信号；

一个脉冲控制单元(28)，它与上述定时控制单元(26)相连并受其控制；

一个探测换能器(20)，它与上述脉冲控制单元(28)相连并受其控制，并产生一个接收信号；

一个解算器(24)，它与上述探测换能器(20)连接并产生上述探测换能器(20)的位置信号；

一个模拟多路转接器(32)，它与上述定时控制单元(26)和探测换能器(22)相连，并根据窗口信号衰减接收信号；和

一个数字转换器(34)，它与上述模拟多路转接器(32)相连并将衰减的接收信号数字化，

其特征在于：

多个检测缺陷的门电路(36-42)，它们与上述数字转换器(34)、定时控制单元(26)、和解算器(24)相连，每一检测缺陷的门电路根据一个窗口信号通过将一个阈值的波形根据一个测距补偿进行移位来存储和处理数字化的衰减接收信号，并将存储的数字化衰减接收信号与移位的阈值波形相比较并在数字化的接收信号超过阈值波形时产生缺陷的特征並存储上述位置，上述控制处理器(10)在上述探测换能器(20)的一次扫描结尾时检索缺陷特征数据和相应的位置，并根据该位置和缺陷的特征确定缺陷的位置。

2、一种用探伤换能器和测距换能器确定一个被测材料中缺陷特征的方法，包括以下步骤：

a）在一个位置上从测距换能器获得材料的一个测距补偿;

b）启动探伤换能器在该位置产生一个探测信号;

c）在一个采样窗口中对返回的探测信号进行采样以产生一个数字返回信号的采样波形，

其特征在于：

d）用测距补偿将一个数字返回信号采样波形移位;

e）将一个阈值的波形与移位的返回信号采样波形相比较;

f）存储经移位后的返回信号采样波形超过阈值波形的突出部分的高峰幅值和峰值时间;

g）在不同位置重复步骤（b）-（f）;和

h）将这些高峰幅值，峰值时间和位置传送给一个缺陷定位装置。

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